武汉天兴洲长江大桥北汊公路桥墩防撞设计

蒋益民

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司　武汉　430056)

武汉天兴洲长江大桥北汊公路桥墩防撞设计

蒋益民

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司武汉430056)

摘要以武汉天兴洲长江大桥北汊公路桥实际工程为背景，介绍了通航孔桥梁设置防撞设施的必要性及防撞装置设置的原则和防撞机理，同时对桥墩船撞力计算原则和方法进行了介绍和分析，并对该工程所用防撞装置进行了介绍。

关键词桥墩防撞浮式防撞装置设计

武汉天兴洲公铁两用长江大桥位于武汉长江二桥下游9.5km的天兴洲江段，北汊公路桥为跨长江北汊公铁分建平行桥，铁路在下游，公路在上游。北汊通航孔上部结构采用54.2m+2×80m+54.2m四跨一联的双幅预应力混凝土连续梁,下部结构采用分离式桥墩基础，墩身分离，墩基础采用直径1.8m钻孔桩，单幅4根，承台长×宽×高为8.2m×8.2m×3m。

1　北汊通航标准

交通部2003年2月14日以交函水[2003]61号《关于武汉天兴洲公铁两用长江大桥通航净空尺度和技术要求的函》提出了正式批复意见。

航道等级：大桥北汊按III级航道标准设计。

北汊通航净空高度：≥10m(设计最高通航水位以上不小于10m)。

通航水位：采用黄海高程。

设计最高通航水位：25.68m(20年一遇)。

设计最低通航水位：9.62m。

北汊考虑洪水期可通航小型船舶，统一设置2个净宽不小于60m的通航孔。

2　设置防撞设施的必要性

2.1国内外桥梁船撞事故

对桥梁安全性产生最大危害原因之一的就是船舶撞击桥梁(桥墩)事故。广东“6·15”九江大桥船撞事故，给人们上了一堂深刻的水路和公路交通安全课。

2007年6月15日清晨5时15分左右，一艘2 000t的运沙船(驳船)撞向325国道上的广东佛山市南海区九江特大桥桥墩，造成九江大桥靠近鹤山段大约200m的桥面坍塌，有至少5辆桥上行驶的汽车掉入30m深的江中，这是新中国成立以来第一座被船舶撞击倒塌的大型桥梁。

在国内，随着长江黄金水道的进一步开发利用，长江航道上航行的船舶越来越多，吨位越来越大，长江上船舶撞击桥墩(梁)的事故时有发生。

如南京长江大桥建桥至今已发生约30起船撞桥事故；武汉长江大桥(公铁两用)自从1957年建成以来，大约发生了70起船撞桥事故；黄石长江公路大桥在3年时间内共发生碰撞桥墩事故20多起，其中一次船毁人伤，货物沉没，桥墩受损，直接经济损失上千万元。这些后果对桥梁寿命和安全运输造成了极大的损害。

在国外，据统计，在1960～1993年的33年中，全世界因船撞桥而导致损毁的大型桥梁已达29座，其中美国15座，死亡人数为321人。美国的阳光大桥、澳大利亚的塔斯曼大桥等都在被船撞塌后重建[1]。

2.2天兴洲大桥桥墩3次被撞情况说明

天兴洲大桥施工后期由于水上施工基本完成，施工船舶相对较少，非施工船舶经过天兴洲长江北汊的情况日益增加，船舶碰撞桥墩现象时有发生，仅1年多的时间就发生过3次。

2007年7月22日11：30，一艘不明船籍、约200t级的空载驳船在北汊航道由上游向下游方向经G060～061号墩非通航孔道，船尾部与G061号墩上游侧倒角处发生碰撞。

2008年9月19日07：30，一艘双机空驳船在北汊G063号墩上游侧水域掉头，在掉头过程中，由于汛期水流较急，驳船尾部撞上G063号墩承台。撞击发生后，船主立即开足马力逃逸。

2008年11月15日上午8：50，鄂黄冈拖2258号与汉港驳1500-9编队船队从天兴洲北汊航道由上游下行，试图从天兴洲大桥北汊G063～G064号墩间通过。航行至G063号墩时，突然拖船右侧撞向G063号上游墩身，使拖船与驳船分离，驳船在水流作用下 ，再次撞向桥墩。驳船顺水飘向下游，舱室进水在天兴洲岸边的浅滩上搁浅。

以上国内外桥梁船撞事故和本桥实际发生的船舶碰撞桥墩事故充分说明，桥梁设置防撞设施是十分必要的。

3　桥墩防撞装置综述

3.1防撞的基本原理

采用桥梁防撞设施的目的是，防止桥梁因船舶撞击力超过桥墩的设计承受能力，保护桥梁结构安全。工程上通过采用不同形式的防撞设施，可以阻止船舶撞击力传到桥墩(或桥梁)，或者通过缓冲消能防撞设施，使冲击能量通过防撞结构的压缩、弯曲、剪切变形被吸收掉，延长船舶的撞击时间，减小船舶撞击力，从而最终保护桥梁安全。

防撞设施的设计需要根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩位置、桥墩外形、水流速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素进行。防撞设施一般应满足如下要求：

(1) 对碰撞的船舶能量进行消能缓冲，使船舶不能直接撞击桥墩，或使船舶碰撞力控制在安全范围内。

(2) 防撞设施能满足高低水位的变化要求，在各种水位条件和各种船舶的装载状态下，撞击的船舶不能直接触及墩壁，水下的球首不能直接撞击承台和桩基。

(3) 防撞设施不能影响航道的通航，占用航道范围尽量少。

(4) 通过合理的结构形式、各种缓冲材料的布置，保护桥梁的同时尽量减小通航船舶的损伤。

(5) 防撞设施制造、安装、维护和修理经济性较好。

(6) 防撞设施具有很好的可靠性和安全性。

3.2防撞装置设置原则

在碰撞过程中，桥墩、防撞设施和船舶为一个运动系统，巨大的船舶动能在极短暂的时间过程中发生转化，各个单元的运动状态发生强烈的改变，要使全部组成单元保持完好无损是困难的，在经济上也是不合理的，由于桥、船、防撞设施都是造价昂贵的工程建筑物，所以根据设计防撞设施的目的和要求，按以下原则设置防撞设施[2]。

(1) 大桥的破坏后果最为严重，确保桥梁安全是防撞设施设计的首要目的，为了保证大桥的安全，即使防撞设施和船舶损坏也是合理的、必要的。

(2) 防撞设施的损坏是允许的，但应易于修复，以使大桥不失保护状态。

(3) 船舶是碰撞事故的责任方，但船舶的沉没也是极大的经济损失，而且影响航道畅通，应予避免，所以对船舶的保护在防撞设施的设计中也应给予必要考虑，应避免沉船事故的发生。

4　北汊公路桥船舶撞击力标准确定

4.1桥墩船撞力计算原则

采用通航桥区代表船型,在船舶满载下水航行的情况下,船舶撞击桥墩来计算船舶撞击力。

4.2根据经验公式和桥梁结构计算桥墩船撞撞击力

(1) 根据经验公式计算桥墩船撞撞击力见表1。

表1　船撞力计算比较表

由表1可见，不同的经验公式计算结果相差很大。以往大量的研究成果表明，在目前的代表船舶和撞击速度下，表1中AASHTO公式计算结果与模型试验、船撞有限元计算仿真结果较为接近。因此，这里推荐值取AASHTO规范计算结果是合理的[3]。

(2) 根据桥梁结构设计船撞力。见表2。

表2　桥梁结构船撞力计算

由表2可见，有防撞消能设施后桥梁结构所受船舶撞击力大大减小，可有效地保护桥梁结构的安全。

5　桥墩防撞方案设计

本防撞设施为套在桥墩外围的浮式等截面桥墩防撞装置，它由内、外2层结构组成：其内部结构是由多个板梁结构的密封舱室、桁架支撑结构、以及与桥墩表面接触处安装有多个滚轮组件和缓冲吸能阻尼元件构成，外部结构是由阻尼吸能元件、钢结构共同联系在一起组成的第一层防撞结构。同时为防止低水位河床淤积后本防撞设施落于河床面被河床淤泥吸附不能浮动情况，特在承台顶部设置低水位托架，能使防撞设施在低水位时落于此托架而不被河床淤泥吸附，保证防撞设施在各种水位条件下正常运用。防撞装置结构见图1。

图1　浮式等截面多级消能柔性防撞装置(单位：mm)

该浮式等截面桥墩防撞装置具有如下特点。

(1) 该防撞装置是套在桥墩周围的浮式钢结构，由于消浪结构的存在，可减少防撞装置频繁地、硬性地撞击桥墩。这一点克服了众多“浮式桥墩防撞装置”的致命弱点。

(2) 该防撞装置由2套防撞体组成，内层由板梁结构组成的浮式钢结构提供浮力，外层非连续(间断的)钢结构和阻尼吸能元件负责减少船撞时结构之间的摩擦力，减少结构碰撞损伤。

当船舶撞击防撞装置时，船舶首先接触第一层防撞结构，外层非连续(间断的)结构钢板发生大的变形，吸收了部分碰撞能量，并且延长了接触时间，使撞击力峰值得以降低；同时由于结构变形和相互作用，从而拨动船头方向，减少了船舶与结构间的能量交换[4]。

当碰撞过程继续进行时，内部与桥墩接触处的缓冲吸能阻尼元件进一步变形、吸能，再次改变船头航向，再次降低船撞力。由于此装置由2层吸能结构组成，较传统的防撞装置有更大的吸能、防撞能力，以及拨动船头航向的功能；同时，在保护桥梁免受损伤的同时，最大限度地降低了船舶的损伤，保护了船舶的安全，以及最大限度地减少船舶碰撞后的泄漏事故发生。

由于最外层非连续(间断的)钢板结构形式特点，使得船舶发生撞击后，维修更换非常方便。当撞击发生后，一般情况下，外部损失都是局部的，如果局部变形不大可现场维修，非常大的局部钢板破坏，可更换被撞坏的个别最外层非连续(间断的)钢板结构，保证防撞装置正常使用。

(3) 在钢筋混凝土桥墩结构表面接触处，安装滚轮与桥墩外表面直接接触，用滚动摩擦代替磨损较严重的传统方式的滑动摩擦浮式钢套箱，该滚轮在船舶撞击桥墩时，当碰撞力达到一定的大小，滚轮装置失效，退出工作状态；此时，内壁上多个缓冲吸能阻尼元件直接接触桥墩表面，参与碰撞吸能。

(4) 在低水位时利用托架支承，可免于被河床淤泥吸附，保证防撞设施的正常运用。

该防撞装置2011年安装使用至今，一切正常，特别在低水位条件下能正常运用，达到了设计目的。安装完成后的防撞装置见图2。

图2安装完成后的防撞装置

6　结语

本防撞装置设计中根据桥墩的自身抗撞能力、桥墩的位置、桥墩外形、水流速度、水位变化情况、通航船舶的类型、碰撞速度等因素进行详细的分析比较，并对船撞力进行了较详细的计算分析，所提出的浮式等截面多级消能柔性防撞装置能有效保护桥墩，不影响通航，能自由浮动并已正常运用至今。本防撞装置的成功应用可为类似桥梁提供借鉴和参考。

参考文献

[1]戴彤宇，聂武.船撞桥事故综述[J].黑龙江交通科技，2003，108(2):1-3.

[2]岳磊，黄翔.浮箱式桥墩防撞设施设计[J].中外公路，2009，29(4):133-136.

[3]项海帆,范立础，王君杰.船撞桥设计理论的现状与需进一步研究的问题[J].同济大学学报:自然科学版,2002(4):386-391.

[4]肖波,李军.船桥碰撞中桥墩防撞装置性能研究[J].水运工程，2010,439(3):17-20.

收稿日期：2015-05-28

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.011